電化學(xué)氣體傳感器在煙氣分析儀中的使用與維護(hù)

    煙氣分析儀是對(duì)有害氣體如二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、一氧化碳等排放以及氧含量的氣體檢測(cè)的儀器。用于燃油、燃?xì)忮仩t污染排放、煙道氣及污染源附近的環(huán)境監(jiān)測(cè)。氣體傳感器是煙氣分析儀檢測(cè)氣體的核心，常用氣體傳感器多為電化學(xué)傳感器。
　　電化學(xué)氣體傳感器性能比較穩(wěn)定，壽命較長(zhǎng)，耗電很小，對(duì)氣體的響應(yīng)快，不受濕度的影響，分辨率一般可以達(dá)到0．1μmol／mol(隨傳感器不同有所不同)。它的溫度適應(yīng)性也比較寬(有時(shí)可以在-40℃到50℃間工作)。然而，它受讀數(shù)溫度變化的影響也比較大。所以很多儀器都有軟硬件的溫度補(bǔ)償處理。同時(shí)電化學(xué)式傳感器又具有體積小、操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以，在目前各類氣體檢測(cè)設(shè)備中，包括煙氣分析儀，電化學(xué)氣體傳感器占有很重要的地位。
1 常用電化學(xué)傳感器原理及結(jié)構(gòu)
　　按照檢測(cè)原理的不同，電化學(xué)氣體傳感器主要分為金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器、催化燃燒式傳感器、定電位電解式氣體傳感器、迦伐尼電池式氧氣傳感器、紅外式傳感器、PID光離子化傳感器等等。目前，煙氣分析儀中使用較多的是定電位電解式氣體傳感器和迦伐尼電池式氧氣傳感器。
　　定電位電解式氣體傳感器工作原理是：使電極與電解質(zhì)溶液的界面保持一定電位進(jìn)行電解，通過改變其設(shè)定電位，有選擇地使氣體進(jìn)行氧化或還原，從而能定量檢測(cè)各種氣體。其結(jié)構(gòu)是：在一個(gè)塑料制成的筒狀池體內(nèi)安裝工作電極、對(duì)電極和參比電極，在電極之間充滿電解液，由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體在電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)，在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比。可測(cè)量SO2、NO、NO2、CO、H2S等氣體，但這些氣體傳感器靈敏度卻不相同，靈敏度從高到低的順序是H2S、NO、NO2、SO2、CO，響應(yīng)時(shí)間一般為幾秒至幾十秒，一般小于1min；它們的壽命，短的只有半年，長(zhǎng)則2年、3年，而有的CO傳感器長(zhǎng)達(dá)幾年。
　　伽伐尼電池式氣體傳感器與定電位電解式一樣，通過測(cè)量電解電流來(lái)檢測(cè)氣體濃度。但由于傳感器本身就是電池，所以不需要由外界施加電壓。這種傳感器主要是用于O2的檢測(cè)，檢測(cè)缺氧的儀器幾乎都使用這種傳感器。隔膜迦伐尼電池式氧氣傳感器的結(jié)構(gòu)：在塑料容器的一面裝有對(duì)氧氣透過性良好的、厚10～30μm的聚四氟乙烯透氣膜，在其容器內(nèi)側(cè)緊粘著貴金屬(鉑、黃金、銀等)陰電極，在容器的另一面內(nèi)側(cè)或容器的空余部分設(shè)置陽(yáng)極(用鉛、鎘等離子化傾向大的金屬)。用KOH、KHCO3作電解液。氧氣在通過電解質(zhì)時(shí)在陰陽(yáng)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使陽(yáng)極金屬離子化，釋放出電子，電流的大小與氧氣的多少成正比，由于整個(gè)反應(yīng)中陽(yáng)極金屬有消耗，所以傳感器需要定期更換。
2 如何科學(xué)地延長(zhǎng)電化學(xué)傳感器的使用壽命
　　電化學(xué)氣體傳感器大都是以水溶液作為電解質(zhì)，電解質(zhì)的蒸發(fā)或污染，常會(huì)導(dǎo)致傳感器的信號(hào)下降，使用壽命短；由于在空氣中有被測(cè)物質(zhì)存在，傳感器中的有效成分被消耗，因此傳感器一旦被啟封，就視為參加了使用，即使沒用于測(cè)量，它的生命也在縮短；電化學(xué)型氣體傳感器的壽命期望值為2年，使用不當(dāng)它的壽命可能更短，而傳感器更換的費(fèi)用較高。因此如何保證其使用壽命，傳感器的正確維護(hù)對(duì)煙氣分析儀的使用尤為重要。
　　傳感器長(zhǎng)時(shí)間暴露在煙氣中會(huì)極大影響使用壽命，只有短時(shí)間與被測(cè)對(duì)象接觸，長(zhǎng)期處于新鮮的空氣中即可維護(hù)其正常使用壽命。因此，儀器開機(jī)時(shí)，一定要在清潔的空氣中。測(cè)量完畢后，不要立即關(guān)機(jī)，儀器必須在清潔空氣保持運(yùn)行時(shí)間5～10min，待儀器氣體顯示值降至10單位以下，保持儀器內(nèi)部處于新鮮空氣的環(huán)境，方可關(guān)機(jī)或停泵，否則，傳感器容易“中毒”并加速傳感器的損耗。
　　對(duì)于裝有粉塵過濾裝置的儀器，要及時(shí)更換過濾芯，避免粉塵進(jìn)入傳感器內(nèi)，污染傳感器。對(duì)于便攜式儀器，不論儀器是否經(jīng)常使用，至少每隔2～3周充電一次，且采樣時(shí)電池電量不應(yīng)低于30％。
　　有些廠商安裝了兩個(gè)泵：抽氣泵和內(nèi)置的清洗泵，在儀器連續(xù)監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后，抽氣泵會(huì)關(guān)閉，在儀器內(nèi)部的清洗泵會(huì)自動(dòng)開啟，抽取儀器周圍的清潔空氣，使儀器的傳感器得到充分的清洗，這樣也延長(zhǎng)了傳感器的使用壽命。
3 如何保證儀器的準(zhǔn)確性
　　為了保證煙氣分析儀的精度和系統(tǒng)的完整性，對(duì)儀器還需要進(jìn)行正常運(yùn)行性流量檢查及示值標(biāo)定。
　　煙氣分析儀是通過抽取煙道中氣體到氣體傳感器，對(duì)被測(cè)量氣體檢測(cè)的，為利于煙氣排放，煙道常采用負(fù)壓，也就是說(shuō)在煙道中如果儀器的泵抽力小，即泵的流量小，當(dāng)負(fù)壓超過儀器中泵的吸力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量數(shù)值偏低。因此，使用儀器時(shí)，既要根據(jù)測(cè)試工況的負(fù)壓范圍，選擇相應(yīng)型號(hào)的儀器，還要對(duì)儀器的流量進(jìn)行測(cè)量，一般儀器的流量要保證在0．7L／min以上，才有可能保證儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性。
　　日常工作中，可以根據(jù)本身具備的環(huán)境及條件選擇不同的方法進(jìn)行示值標(biāo)定，以保證儀器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，但要對(duì)外出具公證數(shù)據(jù)時(shí)，則一定要到計(jì)量檢定部門按周期檢定，以保證儀器的準(zhǔn)確性。
　　其一：選擇潔凈的空氣，對(duì)儀器的零點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。此時(shí)有害氣體的含量應(yīng)為“零”，而氧的含量則應(yīng)為20．9％。
　　其二，選擇純氮，通入氮?dú)庋鮽鞲衅鞯娘@示應(yīng)迅速下降為0．2mg／m。以下，否則氧傳感器失效，而有害氣體的顯示應(yīng)為“零”。
　　其三，選擇一定體積質(zhì)量的被測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，按照儀器使用說(shuō)明書對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行一一標(biāo)定，如果發(fā)現(xiàn)示值誤差超過說(shuō)明書給出的技術(shù)指標(biāo)，可通過校準(zhǔn)程序或儀器內(nèi)部電器指標(biāo)的調(diào)整，對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)整。如果在使用中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)異常偏低，反應(yīng)非常慢；或在標(biāo)定過程中發(fā)現(xiàn)傳感器反應(yīng)非常慢，線性誤差較大，無(wú)法調(diào)整；或是剛剛調(diào)整好，再進(jìn)行測(cè)量數(shù)值又發(fā)生了變化，則可以考慮更換傳感器。
　　在更換傳感器之后，也要對(duì)傳感器或儀器進(jìn)行及時(shí)反復(fù)的標(biāo)定，調(diào)整準(zhǔn)確后，才能使用。
　　總之，科學(xué)合理的使用、維護(hù)，可有效地延長(zhǎng)電化學(xué)傳感器的壽命，以保證煙氣分析儀的測(cè)量準(zhǔn)確性。